如果有一個(gè)世界第一的機(jī)會(huì)放在你面前你不去珍惜，那簡(jiǎn)直就是暴殄天物。

火星采樣返回被認(rèn)為是繼阿波羅載人登月計(jì)劃之后最具挑戰(zhàn)的空間探測(cè)任務(wù)，需要突破一系列技術(shù)瓶頸，正如《我們選擇登月》演講中說(shuō)的那樣，“我們決定在這十年間登上月球并實(shí)現(xiàn)更多夢(mèng)想，并非它們輕而易舉，而正是因?yàn)樗鼈兝щy重重?！保鹦遣蓸臃祷厝蝿?wù)同樣如此。

阿波羅11號(hào)飛船“鷹”號(hào)登月艙

高難度空間探測(cè)任務(wù)的實(shí)施不僅可以帶動(dòng)一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的快速迭代升級(jí)，任務(wù)成功帶來(lái)的戰(zhàn)略影響同樣無(wú)與倫比。獲取火星樣本能夠加深對(duì)火星的認(rèn)識(shí)，天體生物學(xué)預(yù)計(jì)也將獲得新的突破，這不僅有利于尋找地外生命，對(duì)于保護(hù)地球也有著特殊意義。

正因?yàn)樯鲜鲂枨?，世界三大航天?shí)體都在瞄準(zhǔn)這一任務(wù)，NASA與歐空局正在聯(lián)合實(shí)施“火星樣本回送”計(jì)劃，我國(guó)按照“一步實(shí)現(xiàn)繞落巡，二步完成采樣回”的火星探測(cè)工程規(guī)劃，目前也已經(jīng)著手火星采樣返回任務(wù)。

希望號(hào)探測(cè)器拍攝的火星

前年，與祝融號(hào)一道奔向火星的NASA“毅力號(hào)”任務(wù)可謂是先聲奪人，該火星車正是“火星樣本回送”計(jì)劃的首次發(fā)射，火星車搭載了采集火星樣本的機(jī)械臂、鉆取設(shè)備、樣本存儲(chǔ)裝置等設(shè)備，在執(zhí)行巡視探測(cè)任務(wù)的同時(shí)，它將利用這些設(shè)備采集火星樣本，并將樣本容器放置在行進(jìn)路線上。

毅力號(hào)火星車

毅力號(hào)火星樣本采集流程：

伸出采樣機(jī)械臂

鉆取樣本

將樣本管轉(zhuǎn)移至車體

樣本管轉(zhuǎn)移至車體底部容器中

毅力號(hào)火星車自然是沒(méi)有能力將樣本送返地球的，火星樣本回送計(jì)劃的重頭戲不是毅力號(hào)，而是原計(jì)劃在2025年與2026年發(fā)射的兩個(gè)航天器，分別是“地球返回軌道器”與“樣本取回著陸器”。

NASA牽頭研制的是“樣本取回著陸器”，該航天器并沒(méi)有火星采樣功能，其主要工作就是取回由毅力號(hào)火星車采集的火星樣本容器，并將其發(fā)射至環(huán)火星軌道。

“樣本取回著陸器”由火星進(jìn)入艙、火星樣本運(yùn)輸車、著陸器、上升器組成，原計(jì)劃2026年發(fā)射。進(jìn)入艙與著陸器負(fù)責(zé)著陸火星，火星樣本運(yùn)輸車負(fù)責(zé)收集運(yùn)輸毅力號(hào)采集的樣本容器，并將其運(yùn)輸至上升器，上升器負(fù)責(zé)攜帶樣本容器自火星表面發(fā)射起飛至火星軌道，而后由地球返回軌道器捕獲樣本容器。

樣本取回著陸器登陸火星構(gòu)型（早期設(shè)計(jì)）

“地球返回軌道器”由歐空局牽頭研制，配置有返回器與軌道器，該探測(cè)器負(fù)責(zé)在火星軌道捕獲樣本容器，其中軌道器負(fù)責(zé)地火轉(zhuǎn)移與火地轉(zhuǎn)移，返回器可經(jīng)受第二宇宙速度再入地球大氣的熱流燒蝕，其主要職責(zé)是將火星樣本帶回地球。

地球返回軌道器效果圖

值得一提的是，該返回器并沒(méi)有配置降落傘，主要依靠氣動(dòng)減速，最終著陸緩沖靠的是“硬抗”（著陸在沙漠地區(qū)），只要樣本容器不摔壞就能達(dá)成任務(wù)設(shè)定目標(biāo)。

如果一切順利，NASA與歐空局將有望于2031年獲得火星樣本，這一時(shí)間點(diǎn)也是我們瞄準(zhǔn)的獲取火星樣本的時(shí)間，而最新的動(dòng)態(tài)表明前者已經(jīng)失守2031年時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

NASA主管科學(xué)的負(fù)責(zé)人澤布琛近日披露，NASA和歐空局已同意修改“火星樣本回送計(jì)劃”的進(jìn)度與設(shè)計(jì)方案。

具體修改如下：

歐空局牽頭研制的“地球返回軌道器”發(fā)射計(jì)劃推遲兩年，至2027年發(fā)射；

NASA牽頭研制的“樣本取回著陸器”發(fā)射計(jì)劃推遲兩年，至2028年發(fā)射，同時(shí)該航天器進(jìn)行拆分，由一次發(fā)射改為兩次發(fā)射，就是將上升器與樣本運(yùn)輸車分開發(fā)射。

推遲發(fā)射的原因是多方面的，主因原因是研制進(jìn)度跟不上，同時(shí)歐空局富蘭克林號(hào)火星車任務(wù)的屢屢推后也進(jìn)一步干擾了火星采樣返回任務(wù)的實(shí)施。

歐空局富蘭克林號(hào)火星車的推遲也在影響著火星樣本回送任務(wù)

改動(dòng)最大的莫過(guò)于“樣本取回著陸器”一分為二，此舉主要是技術(shù)原因。原計(jì)劃一次發(fā)射方案中進(jìn)入艙需要同時(shí)裝載“著陸上升組合體”還有一輛由歐空局研制的“樣本運(yùn)輸車”，這樣一來(lái)進(jìn)入艙規(guī)模就需要在毅力號(hào)任務(wù)使用的進(jìn)入艙基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大，估測(cè)進(jìn)入艙大底直徑將達(dá)到5.4米，比毅力號(hào)火星車使用的4.5米直徑進(jìn)入艙規(guī)模更大，這就要求有更大包絡(luò)的運(yùn)載火箭整流罩。

毅力號(hào)任務(wù)進(jìn)入艙最大直徑約4.5米

火箭問(wèn)題的難度倒是可以克服，最難的還是大載重火星著陸技術(shù)。因?yàn)?.4米直徑進(jìn)入艙將改變此前經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的4.5米直徑進(jìn)入艙關(guān)于火星大氣進(jìn)入、下降、著陸的一系列技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這將為任務(wù)的實(shí)施帶來(lái)不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。

這種不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)在歐空局ExoMars2022火星探測(cè)項(xiàng)目中體現(xiàn)得淋漓盡致，該探測(cè)器由于著陸規(guī)模超重，加上反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力有限，因此不得不在傘系減速階段使用兩套主傘方案，兩年前該探測(cè)器就曾因降落傘缺陷不得不推遲發(fā)射，即便后來(lái)缺陷問(wèn)題得以解決，但事實(shí)上也增大了任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

承載富蘭克林號(hào)火星車的進(jìn)入艙傘系減速配置

樣本取回著陸器經(jīng)過(guò)拆分之后，將使用兩枚火箭分別發(fā)射“著上組合體”與“樣本運(yùn)輸車”，這樣一來(lái)二者可使用經(jīng)過(guò)好奇號(hào)與毅力號(hào)驗(yàn)證的火星著陸技術(shù)。

著陸器與上升器組合體效果圖

樣本運(yùn)輸車著陸火星效果圖

樣本運(yùn)輸車收集樣本容器效果圖

長(zhǎng)期以來(lái)，有一部分人看到NASA一些新鮮玩意的時(shí)候總是發(fā)出一些諸如“外星科技”之類的奇怪感嘆，殊不知人家實(shí)際上是通過(guò)不斷地打怪通關(guān)發(fā)展出來(lái)的，那些指望靠所謂的創(chuàng)新一口吃成大胖子的想法與客觀世界往往相去甚遠(yuǎn)。

NASA半個(gè)世紀(jì)前發(fā)射的水手三號(hào)火星飛越探測(cè)器

在繼承中發(fā)展，在繼承中創(chuàng)新才是必由之路，而事實(shí)上NASA歷來(lái)就是如此，大洋彼岸當(dāng)前火星表面著陸能力是1噸級(jí)，他們?yōu)榱司邆溥@一能力足足探索了近半個(gè)世紀(jì)，這其中包括火星環(huán)繞、火星著陸、火星表面巡視等一系列任務(wù)的歷練。由此更能體現(xiàn)天問(wèn)一號(hào)一步實(shí)現(xiàn)繞落巡火星的難能可貴。

經(jīng)過(guò)新一輪的任務(wù)設(shè)計(jì)修改之后，NASA與歐空局聯(lián)合實(shí)施的“火星樣本回送”任務(wù)從發(fā)射著上組合體以及火星樣本運(yùn)輸車為時(shí)間起點(diǎn)計(jì)算，整個(gè)過(guò)程將耗時(shí)約5年時(shí)間，之所以耗時(shí)這么長(zhǎng)是因?yàn)槠滠壍榔髋渲玫能壙匕l(fā)動(dòng)機(jī)是離子推力器，此類電推進(jìn)系統(tǒng)通常有著大比沖優(yōu)勢(shì)，所需工質(zhì)少，可以大幅度壓縮探測(cè)器的整體規(guī)模，但耗時(shí)更長(zhǎng)的缺點(diǎn)也是顯而易見。

NASA獲得火星樣本的時(shí)間不會(huì)早于2033年（圖為上升器釋放封裝樣本容器效果圖）

耗時(shí)5年就意味著他們獲取火星樣本的時(shí)間是2033年，機(jī)會(huì)歷來(lái)是留給有準(zhǔn)備的人，這樣一來(lái)我們就將大概率成為世界第一個(gè)獲得火星樣本的國(guó)家。

我國(guó)后續(xù)將依次實(shí)施小行星采樣返回、火星采樣返回、木星系探測(cè)、太陽(yáng)系邊際探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)，按照命名規(guī)則小行星采樣返回任務(wù)可能會(huì)命名為“天問(wèn)二號(hào)”，然而在行星探測(cè)工程立項(xiàng)之前該任務(wù)已經(jīng)被冠名為“鄭和號(hào)”，也就是說(shuō)天問(wèn)二號(hào)仍然可能是火星采樣返回的任務(wù)名稱，具體如何命名還得看之后的事態(tài)發(fā)展，這里姑且將火星采樣返回任務(wù)暫定名為“天問(wèn)二號(hào)”。

行星探測(cè)工程圖形標(biāo)識(shí)

探月工程總師吳偉仁前不久就披露了火星采樣返回任務(wù)的實(shí)現(xiàn)時(shí)間，就是2030年以前。

如此表述存在兩種可能，一種可能是2030年前，以火星樣本抵達(dá)地球的時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算，這就要求火星樣本采樣返回探測(cè)器最晚將于2026年發(fā)射；

另一種可能是以“火星樣本采樣返回探測(cè)器”的地球出發(fā)時(shí)間為節(jié)點(diǎn)計(jì)算，這就要求該探測(cè)器最晚將于2028年發(fā)射。如此一來(lái)火星樣本抵達(dá)地球的時(shí)間則是2031年，整個(gè)任務(wù)過(guò)程耗時(shí)約3年。

兩種可能比較現(xiàn)實(shí)的選擇是后者，而不論何種選項(xiàng)我們拿到火星樣本的時(shí)間都將早于NASA與歐空局聯(lián)合實(shí)施的“火星樣本回送計(jì)劃”。

我們的火星探測(cè)規(guī)劃：一步實(shí)現(xiàn)繞落巡，二步完成采樣回。

運(yùn)載火箭的運(yùn)力有多大，航天舞臺(tái)就有多大，這一定律放在火星任務(wù)上同樣適用。正因?yàn)殚L(zhǎng)征五號(hào)大推力運(yùn)載火箭出色的高軌運(yùn)力，才使得近5噸級(jí)的天問(wèn)一號(hào)有條件完成一步實(shí)現(xiàn)繞落巡火星的工程目標(biāo)，而火星采樣返回探測(cè)器的發(fā)射質(zhì)量勢(shì)必將超越5噸級(jí)規(guī)模，不過(guò)這一次火箭運(yùn)力問(wèn)題將不再是核心瓶頸，因?yàn)槲覀兛梢杂卸喾N選擇。

發(fā)射天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭

按照原計(jì)劃，天問(wèn)二號(hào)將采用兩枚火箭發(fā)射方案，即長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射軌道器與返回器組合體，長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭發(fā)射著陸器與上升器組合體。

火星采樣返回任務(wù)兩次發(fā)射方案

如今又多出了兩種選擇，發(fā)射著陸器與上升器組合體的火箭可以選用高軌運(yùn)力相較于長(zhǎng)征三號(hào)乙更具優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)征七號(hào)甲運(yùn)載火箭。

長(zhǎng)征七號(hào)甲運(yùn)載火箭

再就是可以基于921新一代載人運(yùn)載火箭選擇單枚火箭發(fā)射方案，直接將著陸器與上升器組合體+軌道器與返回器組合體送入地火轉(zhuǎn)移軌道。該型火箭將于2026年左右具備載人飛行能力，也就是說(shuō)至少在2026年前它就能夠?qū)崿F(xiàn)首飛，完全能夠滿足2028年發(fā)射火星采樣返回探測(cè)器的時(shí)間要求，且載人火箭的高可靠與高安全性更有保障。

921新一代載人運(yùn)載火箭效果圖

不過(guò)，就任務(wù)設(shè)計(jì)的便利性而言，選擇兩枚火箭發(fā)射方案更具優(yōu)勢(shì)。單枚發(fā)射方案意味著更大規(guī)模的航天器組合體，在進(jìn)行近火制動(dòng)時(shí)需要消耗更多的推進(jìn)劑，進(jìn)一步增大了軌道器的負(fù)荷。

如果是兩枚火箭發(fā)射方案則不同，著陸器與上升器組合體只需配置小規(guī)模地火轉(zhuǎn)移模塊，抵近火星后無(wú)需近火制動(dòng)可直接實(shí)施火星登陸任務(wù)，利用火星大氣這個(gè)天然的減速場(chǎng)實(shí)施減速。軌道器與返回器組合體的規(guī)?？梢韵拗圃?噸級(jí)，同時(shí)再輔以大氣輔助變軌技術(shù)實(shí)施近火制動(dòng)，推進(jìn)劑消耗量將實(shí)現(xiàn)最小化，利于之后火地返回任務(wù)的實(shí)施。

天問(wèn)二號(hào)任務(wù)時(shí)期我們將具備火星直接登陸能力

我國(guó)火星采樣返回任務(wù)與NASA/歐空局聯(lián)合實(shí)施的火星樣本回送計(jì)劃都是在一系列成熟貨架產(chǎn)品與技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行適度創(chuàng)新。

負(fù)責(zé)地火轉(zhuǎn)移、火星環(huán)繞、火地轉(zhuǎn)移任務(wù)的軌道器可直接沿用天問(wèn)一號(hào)軌道器設(shè)計(jì)。

天問(wèn)一號(hào)軌道器

負(fù)責(zé)火星樣本回送地球任務(wù)的返回器可繼承嫦娥五號(hào)返回器設(shè)計(jì)，該型返回器具備經(jīng)受第二宇宙速度再入地球大氣燒蝕的能力。

嫦娥五號(hào)返回器

負(fù)責(zé)著陸器與上升器組合體登陸火星的進(jìn)入艙可在天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入艙基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性修形，整體規(guī)模不會(huì)有大的變化，這樣一來(lái)降落傘、7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、相控陣?yán)走_(dá)敏感器、激光三維成像敏感器等設(shè)備都可直接繼承下來(lái)。

天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入艙

至于火星表面采樣技術(shù)，經(jīng)過(guò)嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)兩次月球采樣返回任務(wù)的歷練，我們的表取與鉆取設(shè)備能力將得到進(jìn)一步穩(wěn)步的提高。

在此基礎(chǔ)上火星采樣返回任務(wù)就剩下“火星表面起飛上升技術(shù)”與“環(huán)火軌道樣本容器捕獲與轉(zhuǎn)移技術(shù)”兩大難關(guān)，對(duì)于我們而言這兩大難關(guān)并非一片空白。

通過(guò)嫦娥五號(hào)任務(wù)我們已經(jīng)掌握地外天體無(wú)人自動(dòng)起飛技術(shù)，誠(chéng)然，火星與月球相比有著更為復(fù)雜的大氣環(huán)境會(huì)干擾火面起飛上升任務(wù)，但嫦娥五號(hào)上升器所應(yīng)用的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)同樣可以在火星任務(wù)中加以應(yīng)用，只需將火星大氣的這一變量因素加入進(jìn)來(lái)。

火星采樣返回探測(cè)器

環(huán)火軌道樣本容器捕獲與轉(zhuǎn)移技術(shù)同樣可以在嫦娥五號(hào)任務(wù)中找到技術(shù)遺產(chǎn)，后者是目前人類唯一一次地外天體軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接紀(jì)錄保持者，即便是NASA目前也不具備此項(xiàng)能力。

火面上升器受限于有限的規(guī)模，的確難以像嫦娥五號(hào)上升器那樣配置較為完善的對(duì)接測(cè)量敏感器，在環(huán)火軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)中更依賴基于軌返組合體的主動(dòng)捕獲能力，然而兩個(gè)航天器實(shí)施空間交會(huì)的自主導(dǎo)引技術(shù)與嫦娥五號(hào)相比仍有著諸多共通性。

天問(wèn)一號(hào)一步實(shí)現(xiàn)繞落巡火星的背后是嫦娥探月工程的披荊斬棘，天問(wèn)二號(hào)火星采樣返回任務(wù)更將是深空探測(cè)領(lǐng)域的集大成者，在此項(xiàng)任務(wù)完成之際，近地軌道天宮空間站早已進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營(yíng)階段，月球之上一座由我們主導(dǎo)的月面科研站正在開展大規(guī)模集中建設(shè)，載人登月能力也將在這一時(shí)期具備，一幅橫跨地月系囊括地火系的深空探測(cè)圖景將呈現(xiàn)在世人面前，一系列重大任務(wù)的實(shí)施勢(shì)必將航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)推向新的高峰。